設施農業溫室大棚智能控制技術的發展研究

趙 華

（山西省農業機械發展中心，山西太原 030031）

0 引言

設施農業能夠為植物生產提供適宜的生長環境，屬于高投入高產出，資金、技術、勞動力密集型的產業[1]。利用人工建造的設施，使傳統農業逐步擺脫自然的束縛，走向現代工廠化農業、環境安全型農業生產及無毒農業，同時也是打破傳統農業的季節性，實現農產品的反季節上市，進一步滿足多元化、多層次消費需求的有效方法。隨著人們對食品安全和質量的要求不斷提高，溫室大棚作為一種高效的農業種植方式受到越來越多的關注。智能控制裝備的應用可進一步提升溫室大棚的生產效率和農作物品質[2]。

我國設施農業與發達國家相比目前還存在較大差距，主要表現為設施水平低，抗御自然災害能力差；機械化程度低，勞動強度大；設施栽培技術不配套，科技含量低。我國溫室的覆蓋材料差，透光、抗化、防塵等常規要求的性能都遠低于國外，并且壽命短；環境控制系統基本靠人工經驗管理，多為半機械化操作。加快我國溫室智能控制關鍵技術的開發是我國溫室產業走出發展瓶頸的重要一環。目前，我國設施農業的技術開發、管理的高素質人才極度缺乏，溫室關鍵技術的開發管理水平與國外存在較大差距[3]。

1 設施大棚智能控制技術研究的意義

設施農業智能控制技術可實現大棚環境的精確調控，根據作物的需求和生長階段，自動控制溫度、濕度、光照等參數，提供最適宜的生長條件，從而提高產量和質量。智能控制技術還可實現遠程監控和管理，農民可通過手機或電腦遠程監測大棚環境參數，進行遠程控制和調節，提高生產效率和管理便利性。①提高生產效率。溫室大棚智能控制設備的使用可以實現對環境參數（如溫度、濕度、光照等） 進行精確監測和調控，從而提供最適宜的生長條件給作物?？商岣咦魑锏纳a效率和產量，縮短生長周期，增加農業生產的可持續性。②節約資源。智能控制設備可對水、肥料和能源進行精確供給和調控，避免浪費和過量使用。通過精確的灌溉、施肥和能源控制，可最大限度地減少資源的浪費，提高資源的利用效率。③優化環境條件。溫室大棚智能控制設備可實時監測溫室內的環境參數，并根據作物的需求進行調整。通過自動控制溫度、濕度、CO2濃度等參數，可提供最適宜的作物生長環境，從而提高作物的產量和品質。④減少人工管理成本。傳統的溫室大棚管理需要大量的人工參與，而智能控制設備可自動完成一些重復性的任務，如溫度調節、灌溉和施肥等?？蓽p少人工管理的工作量和成本，并提高管理的效率和準確性。⑤數據監測和分析。溫室大棚智能控制設備可以實時監測和記錄溫室內的各種環境參數和作物生長情況。通過數據的收集和分析，可為農民提供決策支持和優化管理的參考，提高農業生產的科學性和可控性。

溫室大棚智能控制設備可提高生產效率、節約資源、優化環境條件，減少人工管理成本，并通過數據監測和分析提供科學支持，推動農業生產的現代化和可持續發展。

2 設施大棚智能控制技術的發展歷程

溫室大棚智能控制技術的發展歷程可追溯到上世紀80 年代：①初期階段（20 世紀80 年代—90 年代初）。這一階段的溫室大棚智能控制主要依賴于傳感器和計算機控制技術。傳感器被用于感知溫室內外的環境參數，而計算機控制系統負責采集、處理和控制這些數據。然而，由于硬件設備和通信技術的限制，智能控制系統的功能和應用受到一定的限制。②發展階段（20 世紀90 年代中期—21 世紀初）。隨著計算機和通信技術的快速發展，溫室大棚智能控制系統逐漸實現了遠程監控和控制的功能?；ヂ摼W和物聯網技術的應用使得溫室大棚的數據可以通過網絡上傳到云平臺，實現遠程監控和管理。同時，傳感器和執行器的性能和精度也得到了改進，提高了智能控制系統的可靠性和準確性。③現代化階段（21 世紀初—至今）。溫室大棚智能控制正朝著現代化方向發展。隨著人工智能、大數據和云計算等技術的興起，智能控制系統的功能進一步提升。通過對大量采集的數據進行分析和挖掘，可實現更精確的環境控制和決策支持。同時，智能控制系統也更加注重節能和環保，通過優化能源利用和資源管理，實現可持續發展。

溫室大棚智能控制技術的發展經歷了從傳感器與計算機控制到遠程監控與控制，再到現代化的階段。隨著技術的不斷進步，智能控制系統的功能和應用不斷提升，為農業生產提供了更高效、精確和可持續的解決方案。

3 設施農業溫室大棚智能控制的關鍵技術

（1） 傳感器技術。利用各種傳感器來實時監測溫室內外的環境參數，如光照強度、溫度、濕度、CO2濃度等。利用傳感器進行數據采集，可為溫室大棚提供準確的環境信息。通過監測溫度和濕度的變化，可及時調整溫室的通風、加熱、降溫等設備，以保持適宜的環境條件。

（2） 自動化控制技術。利用自動化控制系統，實時監控和調節溫室大棚的灌溉、通風、溫度、濕度等參數。自動化控制系統可根據設定的閾值和算法，自動控制各種設備和執行器，實現對溫室環境的精確控制。

（3） 數據采集和分析技術。通過數據采集系統對溫室內外的環境參數進行實時采集，并將數據傳輸到中央控制系統。中央控制系統可對大量的數據進行處理和分析，提供決策支持和優化調整。

（4） 人機交互技術。通過人機交互界面，實現對溫室大棚的遠程監控和操作。操作員可通過計算機、手機等設備，隨時隨地監控溫室的環境參數、設備狀態和報警信息，同時可對溫室大棚進行遠程控制和調整。

（5） 多傳感器融合技術。將不同類型的傳感器數據進行融合和處理，提高環境監測的準確性和可靠性。例如，可通過融合溫度、濕度和光照強度等多個參數，對溫室內的生長環境進行精確控制。

（6） 人工智能和決策支持技術。利用人工智能算法和決策支持系統，對溫室大棚的環境參數進行實時分析和預測。通過智能算法的優化調整，可實現對溫室大棚的能源利用、作物生長和灌溉等方面的最優化控制。

設施農業溫室大棚智能控制的關鍵技術包括傳感器技術、自動化控制技術、數據采集和分析技術、人機交互技術、多傳感器融合技術、人工智能和決策支持技術等。這些技術的應用可以提高溫室大棚的生產效率、資源利用率和環境友好性。

4 設施農業溫室大棚智能控制技術的研究現狀

（1） 溫度和濕度控制。針對溫室內的溫度和濕度變化，設計和開發了智能控制系統，通過傳感器實時監測溫濕度數據，并利用控制算法進行自動調節，以實現溫室內的恒溫恒濕。

（2） 光照控制。光照是溫室植物生長的重要因素之一。研究光照傳感器和光照控制系統，實現對光照強度和光照時間的精確控制，以提供適宜的光照條件促進植物生長。

（3） CO2濃度控制。溫室內的CO2濃度對植物的光合作用和生長有著重要影響。研究人員探索了利用CO2傳感器和控制系統來監測和調節溫室內的CO2濃度，以提供適宜的CO2水平，促進植物的生長。

（4） 灌溉和營養控制。智能灌溉系統可根據土壤濕度、植物需水量等參數，自動控制灌溉設備的開關，實現精準的灌溉。同時，研究人員探索了利用智能控制系統實現植物營養液的自動配比和供應，以滿足植物的營養需求。

（5） 數據監測和分析。智能控制技術可實現溫室內環境參數的實時監測和數據記錄，通過數據分析和處理，提供溫室管理者與決策者所需的信息，以優化溫室運營和管理。

目前，溫室大棚智能控制裝備的研究主要集中在溫濕度控制、光照控制、CO2濃度控制、灌溉和營養控制及數據監測和分析等方面[4]。

5 設施農業溫室大棚智能控制技術在應用過程中可能面臨的一些問題

（1） 技術成本高。智能控制技術的引入需要投入大量的資金，包括購買和安裝傳感器、控制設備及相關軟件系統等。這些費用對于一些小型農戶或農場來說可能難以承擔，限制了技術的推廣應用。

（2） 技術復雜性。智能控制技術往往需要專業的技術人員進行安裝、調試和維護。對于缺乏相關技術知識和經驗的農民來說，學習和操作這些技術可能存在一定的困難。

（3） 數據處理和分析。智能控制技術會產生大量的數據，如溫度、濕度、光照等。如何對這些數據進行有效的處理和分析，提取有用的信息，并進行合理的決策，是一個挑戰；同時，數據的安全性和隱私保護也是需要考慮的問題。

（4） 兼容性問題。由于智能控制技術的供應商眾多，設備和軟件之間的兼容性可能存在問題。不同設備和系統之間的數據交互和通信可能需要額外的工作和投入，增加了技術整合的復雜性。

（5） 可靠性和穩定性。智能控制技術在溫室環境中需要穩定運行，一旦出現故障或技術問題，可能會導致溫室內的環境變化，影響作物生長。因此，技術的可靠性和穩定性是需要重點關注的問題。

（6） 技術更新和升級。智能控制技術日新月異，不斷有新的設備和系統問世。對于農戶和農場來說，及時了解和采用最新的技術可能存在一定的困難，需要不斷進行技術更新和升級。

針對這些問題，需要政府、科研機構和企業共同努力，提供技術支持、培訓和服務，降低技術成本，提高技術可行性和適用性，推動設施農業溫室智能控制技術的進一步發展和應用[5]。

6 結語

設施農業溫室大棚智能控制技術可以根據作物的需求和環境條件，精確控制溫室大棚的溫度、濕度、光照等參數，提供最適宜的生長環境，促進作物的健康生長和高產，進一步提高農業生產的效率。還可以根據實時的環境數據和需求進行精確的控制，避免能源和資源的浪費。根據土壤濕度、植物需水量等參數進行自動控制，避免過量或不足的灌溉，提高水的利用效率。通過數據驅動的精準農業管理，可有效降低病蟲害的發生率，提高農業生產的可持續性和經濟效益。通過云平臺和遠程監控系統實現遠程實時監控和管理。農場管理者可通過手機、平板電腦等終端設備隨時隨地對溫室內的環境和設備進行監測和控制，提高管理的便捷性和有效性。

綜上所述，設施農業溫室大棚智能控制技術可提高農業生產效率、節約能源和資源、優化水資源利用、實現精準農業管理，并且實現智能化遠程監控和管理。隨著技術的不斷發展和應用的推廣，溫室大棚智能控制裝備將在農業生產中發揮越來越重要的作用。